[发明专利]用于制造纳米纤维和微米纤维材料的组合式纺丝喷嘴

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产纳米纤维和微米纤维材料的设备，该设备包括组合式喷嘴，组合式喷嘴连接至高压电源的电位点之一并通过分配通道联接至用于对聚合物混合物进行配料的设备，在适当成形的聚合物混合物附近流动的空气穿过所述喷嘴。

背景技术

用于生产纳米纤维或微米纤维材料的静电纺丝方法基于对连接至反向电位点的两个电极的利用。所述电极之一用于对聚合物溶液进行配料并用于将该聚合物溶液成形为具有较小曲率半径的弯曲形式。由于强电场所引发的力的作用，所谓的泰勒圆锥体被形成，同时制成了纤维，纤维被静电力吸引至另一个电极，即，具有反向极性并用于捕获飞扬纤维的相对电极。在已经捕获之后，这些纤维在所述相对电极的表面上相继形成连续层，该层由随机布置的具有小直径（通常范围在几十纳米到几微米）的纤维构成。为了实际上能够在强电场中制成纤维，必须满足与聚合物溶液本身的物理和化学性质以及周围环境影响和电极的几何学相关的多个条件。

在静电纺丝方法中，单独的纤维在静电力的作用下从聚合物混合物的表面形成。液体或粘稠溶液受到内部粘合力和毛细力。毛细力取决于表面张力并与各自液体的表面的成分的尺寸成正比并与其曲率半径成反比。在曲率半径减小时，液体中的作用在液体的表面层等上的内力将增加，从而导致液体或粘稠聚合物混合物内的压力相应增加。这种曲率半径的减小例如发生在出现毛细上升和毛细下降效果的细毛细管中。上述效果（尤其是毛细下降的效果）优选用于在开始聚合物混合物本身的纺丝过程之前调整聚合物混合物的形状。为了能够生成泰勒锥和喷射被处理的聚合物，外部静电力必须克服粘合力和毛细力。泰勒锥的生成主要由聚合物混合物的表面曲率支持，该表面曲率通过适当成形的喷嘴来实现（表面曲率的减小将引起毛细力的增加，这进而导致液滴内的压力增加并朝着该液滴的表面层的裂口作用，因此导致液滴本身的破坏）。在这方面，对于静电纺丝过程，使用细毛细管（被加工的聚合物混合物被推入细毛细管内）将是最有益的。该混合物随后在毛细管的孔口周围的区域中形成为非常小的液滴。该混合物将在静电力的作用下向外喷射（该过程本身的启动将在具有不利纺丝性质的聚合物混合物将被加工时被进行），其中该静电力弱于作用在自由形成的聚合物混合物液滴（具有更大直径的表面曲率）中的静电力。因此，纺丝喷嘴的必要且最普通地应用原理涉及细的空心针与强行地压入喷嘴的聚合物混合物的连续配料的结合。由于上述原因，已经开发了多种在原理上属于不同类型的纺丝喷嘴。在这方面，下列基础配置是可行的：

首先，用作纺丝喷嘴的细毛细针是已知的。在所有可能性中，就在实验室条件下制备纳米纤维和微米纤维而言，这类喷嘴是应用最广泛的一种。主要的优点在于在将被加工的聚合物混合物配料和成形为具有极小直径的液滴（有利于生成泰勒锥以及后续生产的纤维）形式时的简易性、相对便利性（这还由在针尖区域中生成的静电场的明显梯度支持，在该区域中，局部作用的静电力被叠加，因此使纤维的生成更加便利）。毛细喷嘴在实验室设备中频繁使用，但其效率不足以满足工业生产的需要。类似的解决方案在分别公布于1900和1902年并涉及液体分散的第0705691和0692631号原始美国专利中被公开，其中的加工所依赖的原理与以现代静电纺丝方法为基础的原理等同。

另一种已知纺丝喷嘴包括可替换的毛细针。毛细针执行横向运动（类似于印刷头的横向运动）以在敷设形成涂层的纤维的期间覆盖相对电极的更大区域。然而，在原理上，该实施方式基于前述的类型。虽然该针能够增量生产的纤维材料，但其总的生产率依然十分低。

此外，歧管喷嘴是已知的。这种喷嘴也基于上面所述的第一类型，将更大数量的单独的毛细针聚集在一起以增加相应的纺丝加工的生产率，如例如在专利申请WO2007035011(A1)、WO2004016839(A1)、和WO2007061160(A1)中公开的那样。这种歧管喷嘴的主要缺点在于与纺丝溶液的不均匀分布有关的问题和与喷嘴被拥塞（堵塞）的倾向有关的问题，喷嘴的拥塞（堵塞）需要严格的后续清洁并使总体维护更加苛刻。

另一种已知的纺丝喷嘴是共轴喷嘴。细的双毛细共轴喷嘴设置有类型不同的两种聚合物混合物。因此，最后的纤维具有由不同材料制成的芯和套。